鋼渣輥壓除塵用水特性淺析

逯博特，沈宏觀，王幼殊

（中冶建筑研究總院有限公司，北京，100088）

引言

近年來，中冶節(jié)能環(huán)保研發(fā)的第四代鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術(shù)和裝備，由于其自動化程度高、綠色環(huán)保、流程緊湊、裝備化和資源化等特點，在全國各大鋼鐵企業(yè)大規(guī)模推廣應(yīng)用，其配套使用的除塵用水處理工藝和設(shè)備在投產(chǎn)運行過程中，存在管道淤積、回用水池、輻流沉淀池大量沉積、板結(jié)等問題。具體如下：（1）原工藝設(shè)計時對除塵排水中顆粒物的成分性質(zhì)、粒徑分布了解不夠，濁環(huán)水設(shè)計沒有具體參考依據(jù)。（2）除塵排水沉降性強、結(jié)垢性強［1］，顆粒物的濃度高，密度大，同時因為CaO 的存在，在噴淋過程中形成堿性易結(jié)垢的回水，導(dǎo)致除塵噴淋塔水封結(jié)垢堵塞，并且很容易沉積在溜水槽和回水井、輻流沉淀池中，對生產(chǎn)造成很大的影響。（3）輻流式沉淀池刮泥效果不佳，運行中，泥容易在池底板結(jié)不能及時排走，導(dǎo)致刮泥機刮不動，輻流式沉淀池排泥管堵死導(dǎo)致無法排泥。

綜上所述，對第四代鋼渣輥壓除塵排水處理用水特性及工藝基本參數(shù)研究勢在必行，用水特性及工藝基本參數(shù)確定后，才能有的放矢的對原設(shè)計進行修正，做到“有理可依，客觀合理”。

為此，通過小試和中試研究了鋼渣輥壓除塵用水的懸浮物沉降特性，顆粒物的粒徑分布情況、懸浮物與鋼渣的成分分析，通過試驗數(shù)據(jù)分析，確定和指導(dǎo)水處理的適宜工藝路線、設(shè)備參數(shù)。

1 小試概況

為了研究鋼渣熱悶除塵用水中懸浮物的沉降特性，我們制作了沉降性能小試裝置。裝置為圓筒形［2］，有效高度60 cm［3］，于不同高度設(shè)置了取樣口。試驗采用靜置法測定不同靜置時間后各取樣口水樣濁度的方法，確定不同沉降速度區(qū)間的濁度，并以此表征不同沉降速度區(qū)間內(nèi)懸浮物質(zhì)的濁度相對百分比［4］，根據(jù)各沉降速度區(qū)間中懸浮物質(zhì)的含量相對比例，判斷該水質(zhì)在沉淀池中特定的沉降速度、水力負荷下可達到的去除效果，確定比較合理的沉降速度取值范圍。

鋼渣輥壓用水處理主要流程示意如圖1。

圖1 鋼渣輥壓用水處理主要流程

試驗中，分別于固液分離器出水、除塵系統(tǒng)進水、除塵系統(tǒng)排水、除塵風(fēng)機反洗水進行取樣，測試靜態(tài)沉淀效果。

轉(zhuǎn)爐渣輥壓生產(chǎn)時各取樣點沉降小試試驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 各取樣點沉降濁度變化曲線

各取樣點沉降速度區(qū)間比例對比見圖3。

圖3 各取樣點沉降速度區(qū)間比例對比圖

圖3 中每個沉降速度點對應(yīng)的比例，實際是從該沉降速度到上一個更高沉降速度之間的區(qū)間內(nèi)沉降速度顆粒的集合。如第一個圖的第一個數(shù)據(jù)點沉降速度為3 m/h，該點代表的值是沉降速度大于3 m/h 的顆粒比例；第二個數(shù)據(jù)點沉降速度為1.2 m/h，實際代表的是沉降速度1.2 m/h 到3 m/h 的顆粒所占比例。

對上述試驗數(shù)據(jù)的分析如下：

（1）轉(zhuǎn)爐渣輥壓生產(chǎn)除塵排水自然沉淀性強。根據(jù)沉降現(xiàn)象無明顯分層界面，可認為以自由沉降為主，成層沉降、擁擠沉降可不考慮。

（2）根據(jù)第一次沉降小試數(shù)據(jù)來看，轉(zhuǎn)爐渣輥壓生產(chǎn)除塵排水沉降速度大于18 m/h 的顆粒比例約58%，沉降速度大于9 m/h 的顆粒比例約76%，沉淀時間大于15 min 后，沉淀效果對于原水指標(biāo)來講，靠自然沉淀進一步去除懸浮物的效果甚微。根據(jù)第二次沉降小試數(shù)據(jù)來看，沉降速度大于10.29 m/h 的顆粒比例約54%，除塵進水及除塵排水沉降速度大于10.29 m/h 的顆粒比例約46～64%。小試數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)爐渣輥壓生產(chǎn)除塵排水屬于容易沉降去除懸浮物的水質(zhì)。

（3）轉(zhuǎn)爐渣輥壓生產(chǎn)除塵排水，沉降速度1.5 m/h 到2.4 m/h 之間存在明顯斷層，而低于1.5m/h的按常規(guī)沉淀工藝去除并不容易，且含量比例并不高，因此實際工藝中較為合理的表面水力負荷選擇2.4 m/h，可將占顆?？偙壤?9%的2.4 m/h以上沉降速度的顆粒進行有效沉降，同時有較低的停留時間。如果考慮可接受較低的沉淀去除效率而需求更高的表面水力負荷，選擇10.29 m/h 的沉降速度，也可去除54%左右的顆粒物。

對不同來源的鋼渣（轉(zhuǎn)爐渣、電爐渣）輥軋生產(chǎn)時產(chǎn)生的除塵排水做了靜置沉降試驗對比，見圖4、圖5。

圖4 轉(zhuǎn)爐渣與電爐渣除塵排水沉降曲線對比

圖5 電爐渣與轉(zhuǎn)爐渣除塵排水沉降速度區(qū)間分布對比圖

圖4顯示，初始濁度接近，轉(zhuǎn)爐渣除塵排水在最初的2 min 濁度下降值遠大于電爐渣除塵排水，在第2～6 min 濁度下降值低于電爐渣，在第7 min 左右，兩者剩余的濁度值開始趨于一致。

圖5 顯示，轉(zhuǎn)爐渣除塵排水中，沉降速度在6 m/h 之上的懸浮物占比達62.1%，沉降速度在3～6 m/h 之間懸浮物占比僅4.7%，沉降速度在2～3 m/h 之間的懸浮物占比僅1.9%，沉降速度低于1 m/h 的懸浮物占比24%；電爐渣除塵排水中，沉降速度在6 m/h 之上的懸浮物占比36.5%，沉降速度在3～6 m/h 之間懸浮物占比16.4%，沉降速度在2～3 m/h 之間的懸浮物占比7.6%，沉降速度低于1 m/h的懸浮物占比22%。轉(zhuǎn)爐渣除塵排水中，極易沉降的懸浮物占比明顯高于電爐渣除塵排水，但不易沉降的懸浮物占比差別不大。因此對沉淀工藝來說，若將沉降速度降低至1 m/h，則對電爐渣和轉(zhuǎn)爐渣除塵排水均可保障較好的沉降效果；當(dāng)沉降速度大于6 m/h 時，對電爐渣除塵排水的沉降效果很差。

2 中試概況

制作了現(xiàn)場中試固液分離器，長：4 m 寬：2 m，有效水深1 m，當(dāng)日進水流量（即除塵回水）約60 m3/h，即表面水力負荷為7.5 m3/m2h，停留時間8 min。實際運行監(jiān)控數(shù)據(jù)見表1。

圖6 中試固液分離器結(jié)構(gòu)與水流走向示意圖

表1 現(xiàn)場中試濁度去除情況表

在進水濁度波動較大的情況下，出水始終穩(wěn)定在190 NTU以下，對懸浮物去除有較好的保障作用。

固液分離器出水，使用小試裝置做了靜置沉降試驗，取樣口為液面下方10 cm 的位置。懸浮物沉降速度區(qū)間分布曲線見圖7。

圖7 固液分離器出水懸浮物沉降速度區(qū)間分布圖

圖7顯示，沉降速度大于6 m/h的極易沉降懸浮物占比為9%，極易沉降懸浮物沉淀去除良好；沉降速度3～6 m/h 的易沉降懸浮物占比為16.85%，可以考慮降低設(shè)備表面負荷進一步提高此部分的懸浮物去除率；沉降速度在1.2～3 m/h 之間存在明顯斷層，與固液分離器進水（即轉(zhuǎn)爐渣除塵排水）性質(zhì)吻合；沉降速度小于1.2 m/h 的懸浮物占比69.1%，沉降效果較好，但還有提升空間。

對固液分離器進出水及沉積物中的顆粒物進行粒徑分析見表2和圖8。

圖8 固液分離器進出水及沉積物粒徑分布區(qū)間比例對比圖

表2 水中顆粒物粒徑分析表

結(jié)果分析如下：

（1）進水、出水的粒徑分布峰值均在2 μm、3 μm、5 μm，推論粒徑分布對沉降速度沒有明顯的非線性影響，即可以推測不同粒徑的顆粒其密度、比表面積等沒有明顯的差異。

（2）出水的中位徑、體積平均徑均小于進水的對應(yīng)值，推論沉淀去除的顆粒其平均粒徑大于進水的平均粒徑，推測由于平均粒徑大因而有更高的沉降速度而被去除的比例更高。

（3）出水的面積平均徑大于進水的對應(yīng)值，而比表面積值小于進水的對應(yīng)值，推論沉淀去除的顆粒比表面積大于進水的平均值，也即比表面積更大、表面更不平滑或不規(guī)則的顆粒被沉淀去除的比例更大，推測是由于具備此特點的顆粒更容易與其他顆粒凝聚結(jié)合成為更大的顆粒而促進沉降。

（4）根據(jù)結(jié)論2分析沉積物的粒徑分布表和圖，有明顯的矛盾。推測可能是沉積物在固液分離器中由于沉降速度與顆粒粒徑存在一定的正相關(guān)關(guān)系，大顆粒更早沉降，從而導(dǎo)致沉積物堆積存在分層現(xiàn)象，取樣由于樣品的分層不均勻而導(dǎo)致出現(xiàn)誤差。

3 鋼渣及沉降物成分分析

對某鋼鐵廠的鋼渣原渣、熱悶渣和另一鋼鐵廠的鋼渣除塵泥（即除塵用水的沉積物）成分分別進行X射線熒光分析檢測，結(jié)果見表3。

表3 渣樣品XRF成分分析結(jié)果 %

結(jié)果分析：

（1）鋼渣除塵泥的主要成分如Fe2O3、CaO、SiO2、MgO，含量與鋼渣原渣、熱悶渣成分含量差別不大，除塵泥的主要成分還是鋼渣。

（2）除塵泥中鐵含量較高，具備一定的回收潛力。

（3）除塵泥中氧化鈣含量較高，這是泥容易板結(jié)的原因之一。

4 結(jié)論

通過以上試驗及分析，可得到如下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)爐渣除塵排水中，沉降速度在6 m/h 之上的懸浮物占比62.1%，沉降速度低于1 m/h 的懸浮物占比24%，以極易沉降的懸浮物為主；電爐渣除塵排水中，沉降速度在6 m/h 之上的懸浮物占比36.5%，沉降速度低于1 m/h 的懸浮物占比22%，以易沉降的懸浮物為主。

（2）轉(zhuǎn)爐渣除塵排水、沉降速度1.5 m/h 到2.4 m/h 之間存在明顯斷層，因此實際工藝中較為合理的沉降速度選擇2.4 m/h，可將占顆?？偙壤?9%的2.4 m/h 以上沉降速度的顆粒進行有效沉降。電爐渣除塵排水無此沉降速度斷層，沉降速度降低至1 m/h，則對電爐渣和轉(zhuǎn)爐渣除塵排水均可保障較好的沉降效果；當(dāng)沉降速度大于6 m/h 時，僅能去除36.54%的濁度。

（3）根據(jù)對固液分離器進水、出水、沉積物的粒徑分布分析可以推斷以下結(jié)論：粒徑分布對沉降速度沒有明顯的非線性影響，沉淀去除的顆粒其平均粒徑大于進水的平均粒徑，比表面積更大、表面更不平滑或不規(guī)則的顆粒被沉淀去除的比例更大。

（4）鋼渣除塵泥的主要成分如Fe2O3、CaO、SiO2、MgO，含量與鋼渣原渣、熱悶渣成分含量差別不大，除塵泥的主要成分還是鋼渣，且除塵泥中鐵含量較高，具備一定的回收潛力。除塵泥中氧化鈣含量較高，這是泥容易板結(jié)的原因之一。